DE10356802A1

DE10356802A1 - Flüssigmetallverriegelungsrelaisarray vom Einfügungstyp

Info

Publication number: DE10356802A1
Application number: DE10356802A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong; Arthur Colorado Springs Fong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2004-11-25
Also published as: US6879088B2; GB2400739A; JP2004319481A; US20040201309A1; GB2400739B; GB0407173D0; TW200421637A

Abstract

Ein elektrisches Relaisarray, das eine leitende Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet, wird offenbart. Das Relaisarray eignet sich für eine Herstellung anhand von Mikrobearbeitungstechniken. Jedes Element des Relaisarrays verwendet ein Betätigungsglied, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, um zu bewirken, daß ein Schaltbetätigungsglied in einen Hohlraum in einer statischen Schaltkontaktstruktur eingefügt wird. Der Hohlraum weist Seiten und eine Anschlußfläche an seinem Ende auf, die durch die leitende Flüssigkeit benetzbar sind. Der Hohlraum ist mit der leitenden Flüssigkeit, die ein Flüssigmetall sein kann, gefüllt. Eine Einfügung des Schaltbetätigungsgliedes in den Hohlraum bewirkt, daß die leitende Flüssigkeit nach außen verdrängt wird und mit der Kontaktanschlußfläche an dem Schaltbetätigungsglied in Kontakt kommt. Das Volumen der leitenden Flüssigkeit ist so gewählt, daß, wenn das Betätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt, der elektrische Kontakt durch eine Oberflächenspannung und durch ein Benetzen der Kontaktanschlußflächen sowohl an der statischen Schaltkontaktstruktur als auch an dem Betätigungsglied aufrechterhalten wird. Wenn sich das Schaltbetätigungsglied von der statischen Schaltkontaktstruktur weg zurückzieht, erhöht sich das verfügbare Volumen zum Leiten einer Flüssigkeit in der feststehenden Schaltkontaktstruktur, und die Kombination der Bewegung der leitenden Flüssigkeit in den Hohlraum und der Kontaktanschlußfläche an dem ...

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgenden ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, die durch die folgenden aufgeführten Identifizierer identifiziert und in alphanumerischer Reihenfolge angeordnet sind, die den gleichen Eigentümer wie die vorliegende Anmeldung aufweisen und zu diesem Ausmaß auf die vorliegende Anmeldung bezogen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind:
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,691;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/142,076;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency, Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Piezoelectric Optical Latching Relay", eingereicht am 31. Oktober 2001, mit der Seriennummer 09/999,590;
US-Anmeldung mit dem Titel „Shear Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Production Thereof", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,597;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Latching Relay with Bending Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Latching Relay with Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; US-Anmeldung mit dem Titel „Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Closed Loop Piezoelectric Pump", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Solid Slug Longitudinal Piezoelectric Latching Relay", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,692;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Longitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Method for Producing the Same", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317, 963;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 28. März 2002, mit der Seriennummer 10/109,309;
US-Anmeldung mit dem Titel „Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits", eingereicht am 8. Oktober 2002, mit der Seriennummer 10/266,872;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch", eingereicht am 10. April 2002, mit der Seriennummer 10/119,503;
US-Anmeldung mit dem Titel „Volume Adjustment Apparatus and Method for Use", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,293;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Maintaining a Liquid Metal Switch in a Ready-to-Switch Condition", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Reflecting Wedge Optical Wavelength Multiplexer/Demultiplexer", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpillar Piezoelectric Relay", eingereicht am 14. April 2003; US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpiller Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Inserting-finger Liquid Metal Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Wetting Finger Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Acutated Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; und
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Caterpillar Piezoelectric Reflective Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) für ein elektrisches Schalten und insbesondere auf ein piezoelektrisch betätigtes Hochfrequenzverriegelungsrelaisarray mit Flüssigmetallkontakten.

Bisher wurden bei elektrischen Schaltern Flüssigmetalle, beispielsweise Quecksilber, verwendet, um einen elektrischen Pfad zwischen zwei Leitern bereitzustellen. Ein Beispiel ist ein Quecksilber-Thermostatschalter, bei dem eine Bimetallbandspule auf Temperatur reagiert und den Winkel eines länglichen Hohlraums, der Quecksilber enthält, verändert. Das Quecksilber in dem Hohlraum bildet aufgrund einer hohen Oberflächenspannung ein einziges Tröpfchen. Die Schwerkraft bewegt das Quecksilbertröpfchen zu dem Ende des Hohlraums, der elektrische Kontakte enthält, oder zu dem anderen Ende, je nach dem Winkel des Hohlraums. Bei einem manuellen Flüssigmetallschalter wird ein Permanentmagnet verwendet, um ein Quecksilbertröpfchen in einem Hohlraum zu bewegen.

Flüssigmetall wird auch bei Relais verwendet. Ein Flüssigmetalltröpfchen kann durch eine Vielzahl von Techniken, einschließlich elektrostatischer Kräfte, einer variablen Geometrie aufgrund einer Wärmeausdehnung/-kontraktion und magneto-hydrodynamischer Kräfte, bewegt werden.

Herkömmliche piezoelektrische Relais verriegeln entweder nicht oder verwenden Restladungen in dem piezoelektrischen Material, um einen Schalter, der einen Verriegelungsmechanismus kontaktiert, zu verriegeln oder auf andere Weise zu aktivieren.

Ein rasches Schalten von hohen Strömen wird bei einer Vielzahl von Vorrichtungen verwendet, stellt jedoch aufgrund einer Lichtbogenbildung, wenn ein Stromfluß unterbrochen wird, ein Problem für Relais auf Festkontaktbasis dar. Die Lichtbogenbildung bewirkt einen Schaden an den Kontakten und verschlechtert ihre Leitfähigkeit aufgrund eines Lochfraßes in den Elektrodenoberflächen.

Es wurden Mikroschalter entwickelt, die Flüssigmetall als Schaltelement und die Ausdehnung eines Gases bei Erwärmung verwenden, um das Flüssigmetall zu bewegen und die Schaltfunktion zu betätigen. Flüssigmetall weist gegenüber anderen Mikrobearbeitungstechnologien gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Fähigkeit, relativ hohe Leistungen (etwa 100 mW) unter Verwendung von Metall-zu-Metall-Kontakten ohne ein Mikroschweißen oder ein Überhitzen des Schaltmechanismus zu schalten. Die Verwendung von erhitztem Gas weist jedoch mehrere Nachteile auf. Sie erfordert eine relativ große Energiemenge, um den Zustand des Schalters zu verändern, und die durch ein Schalten erzeugte Hitze muß effektiv abgeführt werden, wenn der Schaltarbeitszyklus hoch ist. Ferner ist die Betätigungsrate relativ gering, wobei die maximale Rate auf einige wenige hundert Hertz begrenzt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes elektrisches Relaisarray und ein verbessertes Verfahren zum Schließen eines Schaltkreises zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Relaisarray gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst.

Es wird ein elektrisches Hochfrequenz-Relaisarray offenbart, das in dem Schaltmechanismus eine leitende Flüssigkeit verwendet. Jedes Relaiselement in dem Relaisarray verwendet ein Betätigungsglied, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, um zu bewirken, daß das Schaltbetätigungsglied in einen Hohlraum in einer statischen Schaltkontaktstruktur eingefügt wird. Der Hohlraum weist Seiten und eine Anschlußfläche an seinem Ende auf, die durch die leitende Flüssigkeit benetzbar sind. Der Hohlraum ist mit der leitenden Flüssigkeit, die ein Flüssigmetall sein kann, gefüllt. Eine Einfügung des Schaltbetätigungsglieds in den Hohlraum bewirkt, daß die leitende Flüssigkeit nach außen verdrängt wird und mit der Kontaktanschlußfläche an dem Schaltbetätigungsglied in Kontakt kommt. Das Volumen der leitenden Flüssigkeit ist so gewählt, daß, wenn das Betätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt, der elektrische Kontakt durch eine Oberflächenspannung und durch ein Benetzen der Kontaktanschlußflächen sowohl an der statischen Schaltkontaktstruktur als auch an dem Betätigungsglied aufrechterhalten wird. Wenn sich das Schaltbetätigungsglied von der statischen Schaltkontaktstruktur weg zurückzieht, erhöht sich das verfügbare Volumen zum Leiten einer Flüssigkeit in der feststehenden Schaltkontaktstruktur, und die Kombination der Bewegung der leitenden Flüssigkeit in den Hohlraum und der Kontaktanschlußfläche an dem Schaltbetätigungsglied, das sich von dem Großteil der leitenden Flüssigkeit weg bewegt, bewirkt, daß die Verbin dung der leitenden Flüssigkeit zwischen der feststehenden und sich bewegenden Kontaktanschlußfläche unterbrochen wird. Wenn das Schaltbetätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt, bleibt der Kontakt elektrisch offen, da nicht genügend leitende Flüssigkeit vorliegt, um den Zwischenraum zu überbrücken, ohne gestört zu werden. Die Hochfrequenzfähigkeit wird durch die zusätzlichen Leiter in der Anordnung bereitgestellt, die agieren, um den Schalter zu einer koaxialen Struktur zu machen. Das Relaisarray eignet sich für eine Herstellung anhand von Mikrobearbeitungstechniken.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelaisarrays, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine Endansicht eines Verriegelungsrelaisarrays, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Schnittansicht eines Verriegelungsrelaisarrays, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 eine weitere Schnittansicht eines Verriegelungsrelaisarrays, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 eine Schnittansicht eines Verriegelungsrelaisarrays in einem Geschlossener-Schalter-Zustand, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 eine weitere Ansicht einer Schaltschicht eines Verriegelungsrelaisarrays in einem Geschlossener-Schalter-Zustand, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
7 eine Ansicht einer Abdeckschicht eines Verriegelungsrelaisarrays, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
8 eine Ansicht eines Matrixmultiplexers, der ein Verriegelungsrelaisarrays gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet.
Das Relaisarray der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Anzahl von elektrischen Schaltelementen oder Relais. Jedes Relais verwendet eine leitende Flüssigkeit, z. B. ein Flüssigmetall, um den Zwischenraum zwischen zwei elektrischen Kontakten zu überbrücken und dadurch einen elektrischen Schaltkreis zwischen den Kontakten zu schließen. Jedes Relais verwendet ein Betätigungsglied, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, um zu bewirken, daß das Schaltbetätigungsglied in einen Hohlraum in einer feststehenden Schaltkontaktstruktur eingefügt wird. Der Hohlraum weist Seiten und eine Anschlußfläche an seinem Ende auf, die durch die leitende Flüssigkeit benetzbar sind. Der Hohlraum ist mit der leitenden Flüssigkeit gefüllt. Eine Einfügung des Betätigungsglieds in den Hohlraum bewirkt, daß die leitende Flüssigkeit nach außen verdrängt wird und mit der Kontaktanschlußfläche an dem Betätigungsglied in Kontakt kommt. Das Volumen der leitenden Flüssigkeit ist so gewählt, daß, wenn das Betätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt, der elektrische Kontakt durch eine Oberflächenspannung und durch ein Benetzen der Kontaktanschlußflächen sowohl an der statischen Schaltkontaktstruktur als auch an dem Betätigungsglied aufrechterhalten wird. Wenn sich das Schaltbetätigungsglied von der statischen Schaltkontaktstruktur weg zurückzieht, erhöht sich das verfügbare Volumen zum Leiten einer Flüssigkeit in der feststehenden Schaltkontaktstruktur, und die Kombination der Bewegung der leitenden Flüssigkeit in den Hohlraum und der Kontaktanschlußfläche an dem Schaltbetätigungsglied, das sich von dem Großteil der leitenden Flüssigkeit weg bewegt, bewirkt, daß die Verbindung der leitenden Flüssigkeit zwischen der feststehenden und sich bewegenden Kontaktanschlußfläche unterbrochen wird. Wenn das Schaltbetätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt, bleibt der Kontakt elektrisch offen, da nicht genügend leitende Flüssigkeit vorliegt, um den Zwischenraum zu überbrücken, ohne gestört zu werden. Eine Hochfrequenzfähigkeit wird durch die zusätzlichen Leiter in der Anordnung bereitgestellt, die agieren, um den Schalter zu einer koaxialen Struktur zu machen.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die leitende Flüssigkeit ein Flüssigmetall, beispielsweise Quecksilber, mit einer hohen Leitfähigkeit, einer geringen Volatilität und einer hohen Oberflächenspannung. Das Betätigungsglied ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied, es können aber auch andere Betätigungsglieder verwendet werden, beispielsweise magnetostriktive Betätigungsglieder. In der Folge werden piezoelektrische Betätigungsglieder und magnetostriktive Betätigungsglieder kollektiv als „piezoelektrische Betätigungsglieder" bezeichnet.
Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Array eine oder mehrere gestapelte Ebenen auf, wobei jede Ebene ein oder mehrere Relais aufweist, die Seite an Seite positioniert sind. Auf diese Weise wird ein rechteckiges Gitter aus Relais gebildet. 1 ist eine Ansicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 1 weist das Relais 100 zwei Ebenen auf. Die untere Ebene enthält eine untere Abdeckschicht 102, eine Schaltschicht 104 und eine obere Abdeckschicht 106. Die obere Ebene weist eine ähnliche Struktur auf und enthält eine untere Abdeckschicht 108, eine Schaltschicht 110 und eine obere Abdeckschicht 112. Die unteren Abdeckschichten 102 und 108 tragen elektrische Verbindungen mit den Elementen in der Schaltschicht und versehen die Schaltschicht mit unteren Abdeckungen. Die elektrischen Verbindungen werden zu den Endabdeckungen 114 und 116 geroutet, die ein zusätzliches Schaltungsrouten liefern und dem Relaisarray Verbindungen liefern. Die Schaltungsschichten 102 und 108 können beispielsweise aus einer Keramik oder Silizium hergestellt sein und eignen sich für eine Herstellung anhand von Mikrobearbeitungstechniken, wie beispielsweise denjenigen, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen verwendet werden. Die Schaltschichten 104 und 110 können beispielsweise aus Keramik oder Glas hergestellt sein, oder sie können aus einem Metall hergestellt sein, das mit einer isolierenden Schicht (beispielsweise einer Keramik) beschichtet ist.
2 ist eine Endansicht des in 1 gezeigten Relaisarrays, bei dem die Endabdeckung entfernt ist. Unter Bezugnahme auf 2 durchlaufen drei Kanäle jede der Schaltschichten 104 und 110. An einem Ende jedes Kanals ist ein Signalleiter 118, der mit einem der Schaltkontakte des Relais elektrisch gekoppelt ist. Optional können Masseabschirmungen 120 jeden der Schaltkanäle umgeben. Die Masseabschirmungen sind durch dielektrische Schichten 122 von den Signalleitern 118 elektrisch isoliert. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Masseabschirmungen 120 teilweise als Leiterbahnen gebildet, die auf der Unterseite der oberen Abdeckschichten 106 und 112 und auf der Oberseite der unteren Abdeckschichten 102 und 108 angeordnet sind. Die oberen Abdeckschichten 106 und 112 decken und dichten die Schaltschichten 104 bzw. 110 ab. Die oberen Abdeckschichten 106 und 112 können beispielsweise aus Keramik, Glas, Metall oder Polymer oder aus Kombinationen dieser Materialien hergestellt sein. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel können Glas, Keramik oder Metall verwendet werden, um eine hermetische Abdichtung zu liefern.
3 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelaisarrays 100 der vorliegenden Erfindung. Der Abschnitt ist in 2 mit 3-3 bezeichnet. Unter Bezugnahme auf die untere Ebene in 3 beinhaltet die Schaltschicht einen Schalthohlraum 302. Der Hohlraum kann mit einem inerten Gas gefüllt sein. Ein Signalleiter 304 belegt ein Ende des Kanals durch die Schaltschicht. Der Signalleiter 304 ist durch eine dielektrische Schicht 124 von dem Masseleiter 120 elektrisch getrennt. Ein feststehender elektrischer Kontakt 306 ist an dem Ende des Signalleiters befestigt. Ein Teil des feststehenden elektrischen Kontakts 306 ist konkav und kleidet einen Hohlraum in dem Ende des Signalleiters 304 aus. Ein weiterer Teil bildet eine Anschlußfläche, die einen Teil des inneren Endes des Signalleiters 304 abdeckt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel befindet sich die Flüssigkeitsmulde nahe bei dem Kontakt 306, ist jedoch von demselben getrennt. Die Flüssigkeitsmulde kann auch in einer anderen Struktur als dem Signalleiter 304 gebildet sein. Ein Ende des Betätigungsglieds 308 ist an dem Signalleiter 118 befestigt, während das andere Ende in den konkaven Teil des feststehenden Kontakts 306 vorsteht. Ein beweglicher elektrischer Kontakt 310 ist an dem Betätigungsglied befestigt. Im Betrieb wird die Länge des Betätigungsglieds 308 erhöht oder verringert, um den beweglichen elektrischen Kontakt 310 zu dem feststehenden elektrischen Kontakt 306 hin oder von demselben weg zu bewegen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfaßt das Betätigungsglied ein piezoelektrisches Betätigungsglied. Der bewegliche Kontakt 310 kann als leitfähige Beschichtung auf dem Betätigungsglied 308 gebildet sein, wobei der Kontakt 312 in diesem Fall eine Fortsetzung des Kontakts 310 ist. Alternativ dazu kann der Kontakt 312 auf einer Seite des Betätigungsglieds positioniert sein und der Kontakt 310 kann auf der anderen Seite positioniert sein, um ein Biegen des Betätigungsglieds zu verringern. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Kontakt 312 weggelassen. Die Oberflächen des statischen und des beweglichen elektrischen Kontakts sind durch eine leitende Flüssigkeit benetzbar. Im Betrieb trägt der bewegliche Kontakt 310 ein Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit 314, das durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit in seiner Position gehalten wird. Aufgrund der geringen Größe des Tröpfchens 314 dominiert die Oberflächenspannung jegliche Körperkräfte, die auf die Tröpfchen einwirken, und somit wird das Tröpfchen in seiner Position gehalten. Der konkave Abschnitt des feststehenden Kontakts 306 erzeugt eine Flüssigkeitsmulde, die mit der leitenden Flüssigkeit 316 gefüllt ist. Die Flüssigkeit 316 benetzt ferner den Anschlußflächenabschnitt des Kontakts 306. Der bewegliche Kontakt 310 ist teilweise mit einer nicht-benetzenden Beschichtung 318 beschichtet, um eine Migration der leitenden Flüssigkeit entlang des Kontakts zu verhindern. Der Signalleiter 118 ist durch die dielektrische Schicht 122 von dem Masseleiter 120 elektrisch isoliert, während der Signalleiter 304 durch die dielektrische Schicht 124 von dem Masseleiter 120 elektrisch isoliert ist.
Ebenfalls in 3 gezeigt ist die Endabdeckung 116. Die Endabdeckung 116 trägt eine Schaltungsanordnung 322, um eine Verbindung mit dem Signalleiter 118 zu ermöglichen, und eine Schaltungsanordnung 324, um mit der Masseabschirmung 120 verbunden zu sein. Diese Schaltungen werden zu den Kanten oder der Außenoberfläche der Endabdeckung geführt, um eine externe Verbindung mit dem Relais zu ermöglichen. Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um eine Verbindung mit jedem der Relais in dem Relaisarray zu ermöglichen.
4 ist eine Schnittansicht durch einen Abschnitt 4-4 des in 1 gezeigten Verriegelungsrelais. Unter Bezugnahme auf 4 kleidet der statische Kontakt 306 das Innere eines Hohlraums in dem Signalleiter 304 aus und bildet eine Flüssigkeitsmulde. Leitende Flüssigkeit 316 ist in der Flüssigkeitsmulde enthalten und wird durch eine Oberflächenspannung in ihrer Position gehalten. Der Masseleiter 120 umgibt den Signalleiter 304 und den statischen Kontakt 306. Dies ermöglicht ein Hochfrequenzschalten des Relais.
Der elektrische Schaltkreis durch das Relais wird geschlossen, indem das Betätigungsglied mit Energie versorgt wird, um es zu veranlassen, sich in die Mulde aus leitendem Fluid zu erstrecken, wie in der Schnittansicht der 5 gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf 5 erstreckt sich das Betätigungsglied 308 in die Flüssigkeitsmulde aus leitender Flüssigkeit, die in dem konkaven Teil des statischen Kontakts 306 enthalten ist. Gleichzeitig wird der bewegliche Kontakt 310 näher zu dem statischen Kontakt gebracht. Die Einfügung des Betätigungsglieds in die Mulde drückt einen Teil der leitenden Flüssigkeit aus der Mulde heraus und veranlaßt ihn, den Zwischenraum zwischen dem statischen Kontakt 306 und dem beweglichen Kontakt 310 zu überbrücken. Dies bildet ein einziges Volumen aus leitender Flüssigkeit 314. Die leitende Flüssigkeit 314 schließt den elektrischen Schaltkreis zwischen den Signalleitern 118 und 304.
Nachdem der Schaltkreis geschlossen ist, wird die Energieversorgung des Betätigungsglieds 306 unterbrochen, und das Betätigungsglied 306 zieht sich aus der Flüssigkeitsmulde zurück. Das Volumen der leitenden Flüssigkeit und der Beabstandung zwischen den Kontakten ist derart, daß die leitende Flüssigkeit den Zwischenraum zwischen den Kontakten weiterhin überbrückt, wie in 6 gezeigt ist. Der elektrische Schaltkreis zwischen den Kontakten bleibt geschlossen, so daß das Relais verriegelt ist.
Um den elektrischen Schaltkreis zwischen den Kontakten zu unterbrechen, wird das Betätigungsglied in der umgekehrten Richtung mit Energie versorgt, so daß seine Länge abnimmt. Das Betätigungsglied zieht sich aus der Flüssigkeitsmulde zurück, und der bewegliche Kontakt wird weiter von dem statischen Kontakt weg bewegt. Leitende Flüssigkeit wird in die Mulde zurückgesogen. Die Oberflächenspannungsverbindung ist nicht ausreichend, um die leitende Flüssigkeit in einem einzigen Volumen zu halten, so daß sich die Flüssigkeit in zwei Volumen aufteilt. Auf diese Weise wird der elektrische Schaltkreis unterbrochen. Wenn die Energieversorgung des Betätigungsglieds erneut unterbrochen wird, liegt nicht genügend Flüssigkeit vor, um den Zwischenraum zu überbrücken, so daß der Schaltkreis offen bleibt, wie in 3 gezeigt ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind beide elektrischen Kontakte feststehend, und das Betätigungsglied arbeitet, um leitende Flüssigkeit von einer Flüssigkeitsmulde zu verdrängen, so daß sie den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten überbrückt.
Obwohl ein Betätigungsglied beschrieben wurde, das in einem Erweiterungsmodus arbeitet, können auch andere Betriebsmodi verwendet werden, die zu einer Veränderung des Volumens desjenigen Teils des Betätigungsglieds führen, der in den Hohlraum des feststehenden Kontakts eingefügt ist.
Die Verwendung von Quecksilber oder eines anderen Flüssigmetalls mit einer hohen Oberflächenspannung, um eine flexible, nicht-kontaktierende elektrische Verbindung zu bilden, führt zu einem Relais mit einer hohen Stromkapazität, die einen Lochfraß und eine Ansammlung von Oxid, die durch lokale Erwärmung verursacht wird, vermeidet. Der Masseleiter liefert eine Abschirmung, die den Signalpfad umgibt, was ein Hochfrequenzschalten ermöglicht.
7 ist eine Ansicht der unteren Oberfläche der oberen Abdeckschicht 106. Die obere Abdeckschicht 106 liefert eine Abdichtung für den Kanal in der Schaltschicht. Masseleiterbahnen 702, eine für jeden Schaltkanal in der Schaltschicht, sind auf der Oberfläche der oberen Abdeckschicht angeordnet und bilden eine Seite der Masseabschirmungen, die zu den Signalleitern und Schaltmechanismen koaxial sind. Ähnliche Masseleiterbahnen sind auf der oberen Oberfläche der unteren Abdeckschicht angeordnet.
8 ist eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. In 8 ist ein Fünf-Ebenen-Relaisarray 100 mit fünf Schaltelementen pro Ebene gezeigt. Die Einzelheiten von Ebenen des Arraykörpers 800 sind der Deutlichkeit halber weggelassen worden. Die erste Endabdeckung 114 trägt eine Schaltungsanordnung 806, um eine Verbindung mit den ersten Signalleitern (nicht gezeigt) zu ermöglichen. Die zweite Endabdeckung 116 trägt eine Schaltungsanordnung 322, um eine Verbindung mit den zweiten Signalleitern zu ermöglichen. Eine zusätzliche Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) ermöglicht Verbindungen von Eingangssignalen 802 mit der Verbindungsschaltungsanordnung 322 und zur Verbindung der Schaltungsanordnung 806 mit den Ausgängen 804. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Eingangssignal für jede Ebene (Reihe) des Arrays und ein Ausgangssignal für jede Spalte des Arrays vorgesehen. Die Elemente des Arrays ermöglichen, daß jegliches Eingangssignal zu jeglichem Ausgang gekoppelt wird. Das Array fungiert als Matrixsignalmultiplexer.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weisen die Struktur des statischen Kontakts, die leitfähige Beschichtung auf dem Betätigungsglied und die Signalleiter im Hinblick auf die beste elektrische Leistungsfähigkeit ähnliche Außenabmessungen auf, um Fehlübereinstimmungen in bezug auf die Impedanz zu minimieren.

Claims

Elektrisches Relaisarray (100), das eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist, wobei ein Schalten der Mehrzahl von Schaltelementen folgende Merkmale aufweist: einen ersten elektrischen Kontakt (310), der eine benetzbare Oberfläche aufweist; ein erstes Volumen einer leitenden Flüssigkeit (314), das sich in benetztem Kontakt mit dem ersten elektrischen Kontakt (310) befindet; einen zweiten elektrischen Kontakt (306), der von dem ersten elektrischen Kontakt (310) beabstandet ist und eine benetzbare Oberfläche aufweist; eine Muldenträgerstruktur (304), die sich in unmittelbarer Nähe des ersten (310) und des zweiten (306) elektrischen Kontakts befindet, wobei die Muldenträgerstruktur eine in derselben gebildete Flüssigkeitsmulde aufweist; ein zweites Volumen einer leitenden Flüssigkeit (316) in der Flüssigkeitsmulde, das sich in benetztem Kontakt mit dem zweiten elektrischen Kontakt befindet; und ein Betätigungsglied (308), das eine zumindest teilweise in der Flüssigkeitsmulde befindliche Ruheposition aufweist; wobei eine Ausdehnung des Betätigungsglieds (308) das Volumen der Flüssigkeitsmulde verringert und die zweite Flüssigkeit verdrängt, wodurch bewirkt wird, daß sich das erste und das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit (314, 316) vereinigen und einen elektrischen Schaltkreis zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt schließen, und wobei eine Kontraktion des Betätigungsglieds (308) das Volumen der Flüssigkeitsmulde erhöht, wodurch bewirkt wird, daß sich das erste und das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit trennen und den elektrischen Schaltkreis unterbrechen.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen ersten Signalleiter, der mit dem ersten elektrischen Kontakt elektrisch gekoppelt ist; und einen zweiten Signalleiter, der mit dem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch gekoppelt ist.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 2, bei dem der zweite Signalleiter die Muldenträgerstruktur liefert.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine Masseabschirmung, die den ersten und den zweiten elektrischen Kontakt und den ersten und den zweiten Signalleiter umgibt; eine erste dielektrische Schicht, die zwischen der Masseabschirmung und dem ersten Signalleiter positioniert ist, wobei die erste dielektrische Schicht die Masseabschirmung von dem ersten Signalleiter elektrisch isoliert; und eine zweite dielektrische Schicht, die zwischen der Masseabschirmung und dem zweiten Signalleiter positioniert ist, wobei die zweite dielektrische Schicht die Masseabschirmung von dem zweiten Signalleiter elektrisch isoliert.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste elektrische Kontakt an dem Betätigungsglied (308) befestigt ist.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 5, bei dem eine Ausdehnung des Betätigungsglieds (308) den ersten elektrischen Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt hin bewegt und eine Kontraktion des Betätigungsglieds (308) den ersten elektrischen Kontakt von dem zweiten elektrischen Kontakt weg bewegt.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Betätigungsglied (308) entweder ein piezoelektrisches Betätigungsglied (308) oder ein magnetostriktives Betätigungsglied (308) umfaßt.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das erste und das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit Flüssigmetallvolumina sind.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 8, bei dem das erste und das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit Quecksilber sind.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das erste und das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit derart bemessen sind, daß vereinigte Volumina vereinigt bleiben, wenn das Betätigungsglied (308) zu seiner Ruheposition zurückkehrt, und daß getrennte Volumina getrennt bleiben, wenn das Betätigungsglied (308) zu seiner Ruheposition zurückkehrt.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner eine nicht-benetzende Beschichtung aufweist, die den ersten elektrischen Kontakt teilweise abdeckt, um eine Migration der leiten den Flüssigkeit entlang des ersten elektrischen Kontakts zu verhindern.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat, das elektrische Verbindungen zu dem Betätigungsglied (308) trägt; eine Abdeckschicht; und eine Schaltschicht, die zwischen dem Schaltungssubstrat und der Abdeckschicht positioniert ist und einen in derselben gebildeten Kanal aufweist; wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt und das Betätigungsglied (308) in dem Kanal positioniert sind.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 12, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen ersten Signalleiter, der mit dem ersten elektrischen Kontakt elektrisch gekoppelt ist; einen zweiten Signalleiter, der mit dem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch gekoppelt ist; eine erste Endabdeckung, die elektrische Verbindungen mit dem ersten Signalleiter jedes Relaiselements trägt; und eine zweite Endabdeckung, die elektrische Verbindungen mit dem zweiten Signalleiter jedes Relaiselements trägt.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 13, bei dem die elektrischen Verbindungen zu dem Betätigungs glied (308) Leiterbahnen aufweisen, die auf der Oberfläche der unteren Abdeckschicht angeordnet sind und mit Verbindungen auf der entweder ersten Endabdeckung oder der zweiten Endabdeckung elektrisch gekoppelt sind.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die elektrischen Verbindungen zu dem Betätigungsglied (308) Leiterbahnen aufweisen, die auf der Oberfläche des Schaltungssubstrats angeordnet sind.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, das anhand eines Mikrobearbeitungsverfahrens hergestellt ist.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Abdeckschicht entweder aus Keramik, Glas, Metall, Silizium oder einem Polymer hergestellt ist.
Elektrisches Relaisarray (100) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das Schaltungssubstrat entweder aus Keramik, Glas, Silizium oder einem Polymer hergestellt ist.
Verfahren zum Schließen eines elektrischen Schaltkreises zwischen einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, der aus einer Mehrzahl von zweiten Kontakten in einem Relaisarray ausgewählt ist, wobei der erste Kontakt ein erstes Tröpfchen einer leitenden Flüssigkeit trägt und jeder der Mehrzahl von zweiten Kontakten ein zweites Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit trägt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: für jeden zweiten Kontakt der Mehrzahl von zweiten Kontakten, der nicht ausgewählt ist: Versorgen eines Betätigungsglieds (308) mit Energie, damit es sich von einer Mulde einer leitenden Flüssigkeit zurückzieht, wodurch leitende Flüssigkeit in die Mulde gesogen wird und bewirkt wird, daß sich das erste und das zweite Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit trennen und den elektrischen Schaltkreis unterbrechen; und für den ausgewählten zweiten Kontakt: Versorgen des Betätigungsglieds (308) mit Energie, damit es in die Mulde aus leitender Flüssigkeit eingefügt wird, wodurch leitende Flüssigkeit von der Mulde verdrängt wird und bewirkt wird, daß sich das erste und das zweite Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit vereinigen und den elektrischen Schaltkreis schließen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der erste Kontakt an dem Betätigungsglied (308) befestigt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem der erste Kontakt zu dem zweiten Kontakt hin bewegt wird, wenn das Betätigungsglied (308) in die Mulde eingefügt wird, und von dem zweiten Kontakt weg bewegt wird, wenn das Betätigungsglied (308) aus der Mulde zurückgezogen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, das ferner folgende Schritte aufweist: für jeden zweiten Kontakt der Mehrzahl von zweiten Kontakten, der nicht ausgewählt ist: Unterbrechen der Energieversorgung des Betätigungsglieds (308), nachdem sich die Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit trennen; und für den ausgewählten zweiten Kontakt: Unterbrechen der Energieversorgung des Betätigungsglieds (308), nachdem sich die Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit vereinigen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem das Betätigungsglied (308) ein piezoelektrisches Betätigungsglied (308) ist und bei dem das Versorgen des Betätigungsglieds (308) mit Energie ein Anlegen einer elektrischen Spannung über das piezoelektrische Betätigungsglied umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem das Betätigungsglied (308) ein magnetostriktives Betätigungsglied ist und bei dem das Versorgen des Betätigungsglieds mit Energie ein Anlegen einer elektrischen Spannung, um über das magnetostriktive Betätigungsglied ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, umfaßt.